沖激輻射天線實(shí)現(xiàn)皮秒脈沖電場(chǎng)在人體大腦模型中聚焦的研究

郭　飛　李成祥　唐賢倫　陳功貴　姚陳果

(1.重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院　重慶　400065 2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))　重慶　400030)

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沖激輻射天線實(shí)現(xiàn)皮秒脈沖電場(chǎng)在人體大腦模型中聚焦的研究

郭飛1，2李成祥2唐賢倫1陳功貴1姚陳果2

(1.重慶郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院重慶400065 2.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué))重慶400030)

采用三維電磁場(chǎng)仿真軟件CST Microwave Studio建立長(zhǎng)橢球型天線模型和介質(zhì)透鏡模型，研究皮秒脈沖經(jīng)沖激脈沖輻射天線發(fā)射后在人體大腦模型中的聚焦特性。結(jié)果表明，傳播至大腦組織深度6 cm處的電場(chǎng)能夠保持輸入波形的時(shí)域特性；皮秒脈沖能夠進(jìn)入大腦組織深度8 cm處，且此時(shí)形成的焦斑尺寸最??；不包含介質(zhì)透鏡和包含非損耗介質(zhì)透鏡時(shí)，形成的焦斑尺寸為1 cm×2 cm×1 cm，而引入損耗介質(zhì)透鏡后，形成的焦斑尺寸小于1 cm×1 cm×1 cm。研究結(jié)果從理論上證明了聯(lián)合損耗介質(zhì)透鏡和單個(gè)沖激脈沖輻射天線能夠?qū)崿F(xiàn)皮秒脈沖在深部腦組織中的有效聚焦。

皮秒脈沖沖激脈沖輻射天線大腦模型非損耗介質(zhì)透鏡損耗介質(zhì)透鏡

0　引言

近年來(lái)，電場(chǎng)脈沖對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的作用逐漸成為生物電磁技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)[1-3]，它不僅為電氣工程師、細(xì)胞生物學(xué)家和臨床醫(yī)師等通過(guò)強(qiáng)大而簡(jiǎn)潔的電場(chǎng)方式(類似于“探針”)研究細(xì)胞內(nèi)外膜跨膜電位變化并調(diào)控生物細(xì)胞響應(yīng)開(kāi)辟了一條全新途徑，而且也為電場(chǎng)脈沖靶向作用于病變神經(jīng)組織進(jìn)而調(diào)控神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢惶峁┝丝赡?，并展示出良好的發(fā)展前景。文獻(xiàn)[4-7]發(fā)現(xiàn)在場(chǎng)強(qiáng)為1 kV/cm、脈寬為100 μs的微秒電場(chǎng)脈沖作用下，細(xì)胞膜的脂質(zhì)雙分子層被暫時(shí)重新排列形成了一些被稱為電穿孔效應(yīng)(Electroporation)的親水性通道。文獻(xiàn)[8]首次采用微秒脈沖刺激丘腦下核(STN)和內(nèi)側(cè)蒼白球(GPi)，從而達(dá)到治療帕金森的效果。文獻(xiàn)[9,10]采用微秒脈沖電場(chǎng)治療肌張力障礙。文獻(xiàn)[11]將微秒脈沖用于癲癇癥治療，表現(xiàn)出較好的治療效果。文獻(xiàn)[12-14]發(fā)現(xiàn)不用化療藥物，采用場(chǎng)強(qiáng)約100 kV/cm、脈寬降低至10 ns級(jí)的納秒電場(chǎng)脈沖可以改變細(xì)胞器膜(內(nèi)膜)的跨膜電位，進(jìn)而導(dǎo)致一系列稱為內(nèi)處理效應(yīng)(Intracellular Electromanipulation)的細(xì)胞響應(yīng)；單個(gè)脈寬1 ns、場(chǎng)強(qiáng)12 kV/cm的脈沖電場(chǎng)可有效刺激青蛙腓腸肌[15]；單個(gè)脈寬12 ns、場(chǎng)強(qiáng)403 V/cm的脈沖電場(chǎng)可以激發(fā)大鼠皮膚傷害感受器動(dòng)作電位[16]。

上述微/納秒脈沖電場(chǎng)誘導(dǎo)的獨(dú)特生物電效應(yīng)已成功應(yīng)用于臨床試驗(yàn)。然而，如果將微/納脈沖電場(chǎng)應(yīng)用于癲癇等腦科疾病治療，需借助有創(chuàng)/微創(chuàng)電極將電脈沖引入人體腦部癲癇病變區(qū)域，在一定程度上會(huì)對(duì)大腦正常組織和器官造成損傷，仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)治療。因此，能否找到一種既能無(wú)創(chuàng)進(jìn)入人體深部腦組織，又能靶向調(diào)控癲癇病變區(qū)域神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢坏碾妶?chǎng)脈沖成為解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵。

隨著脈沖電場(chǎng)脈寬進(jìn)一步降低至皮秒級(jí)，脈沖電場(chǎng)同樣能誘導(dǎo)生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生一定的改變，如文獻(xiàn)[17]揭示脈寬800 ps、場(chǎng)強(qiáng)500 kV/cm級(jí)的脈沖電場(chǎng)可以增強(qiáng)細(xì)胞膜的通透性。文獻(xiàn)[18]研究表明脈寬200 ps、場(chǎng)強(qiáng)20 kV/cm、重復(fù)頻率10 kHz電場(chǎng)脈沖可以改變細(xì)胞膜跨膜電位。文獻(xiàn)[16]的最新研究結(jié)果表明脈寬200 ps、重復(fù)頻率為4 kHz、場(chǎng)強(qiáng)為3 kV/cm的脈沖電場(chǎng)可有效刺激大鼠皮膚傷害感受器的動(dòng)作電位。此外，皮秒級(jí)脈沖電場(chǎng)由于脈寬極窄(～ps級(jí))，相應(yīng)地其頻域帶寬非常豐富(DC～GHz)，因而能夠通過(guò)超寬帶沖激脈沖輻射天線發(fā)射，并能實(shí)現(xiàn)電磁波在近場(chǎng)處的聚焦[19]，此時(shí)將人體大腦組織置于近場(chǎng)處，并使腦部病變區(qū)域與電磁波聚集區(qū)域重合，通過(guò)調(diào)節(jié)皮秒脈沖參數(shù)則能實(shí)現(xiàn)對(duì)大腦病變區(qū)域細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的治療作用，從而使皮秒脈沖無(wú)創(chuàng)聚焦治療癲癇等腦科疾病成為可能。

目前，皮秒脈沖匹配沖激脈沖輻射天線(Impulse Radiating Antenna，IRA)能夠在自由空間及均勻組織中實(shí)現(xiàn)良好聚焦[19，20]，但皮秒脈沖匹配沖激脈沖輻射天線在人體大腦等復(fù)雜生物組織中的聚焦特性尚未有研究。

本文基于前期研究[21]，引入數(shù)字化人體大腦模型Hugo和5層介質(zhì)透鏡模型，研究皮秒脈沖在人體大腦模型中的聚焦特性。

1　仿真設(shè)置

1.1沖激脈沖輻射天線

IRA的仿真模型如圖1所示[19]。IRA由TEM錐形傳輸線實(shí)現(xiàn)饋源，反射鏡由半個(gè)橢球構(gòu)成，且短軸置于孔徑平面。由焦點(diǎn)F1發(fā)出的球形TEM波經(jīng)反射面?zhèn)鞑ズ髮R聚于另一焦點(diǎn)F2，將生物組織置于F2即可實(shí)現(xiàn)脈沖在其中的聚焦。相較于一般天線，IRA具有線性極化輻射、超寬帶輻射以及高功率發(fā)射等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

圖1　沖激脈沖輻射天線仿真結(jié)構(gòu)圖Fig.1　Structural diagram of IRA

1.2Hugo人體大腦模型

如圖2所示，選取CST公司的數(shù)字化人體大腦模型Hugo (1 mm×1 mm×1 mm)，通過(guò)其側(cè)視圖和后視圖都能明顯地辨別出大腦組織各成分。受限于軟件配置，仿真工作并未包含腦組織介電參數(shù)(介電常數(shù)、電導(dǎo)率)的頻率色散效應(yīng)。選取頻率為1.8 GHz處的介電參數(shù)進(jìn)行仿真，腦組織各結(jié)構(gòu)組分的介電參數(shù)如表1所示。

1.3介質(zhì)透鏡仿真模型

圖2　數(shù)字化人體大腦模型Fig.2　Digitized human brain model表1　大腦模型介電參數(shù)Tab.1　Dielectric parameters of brain model

組織成分介電常數(shù)電導(dǎo)率/(S·m-1)白質(zhì)37.010.9150灰質(zhì)50.081.391頭骨11.780.2752脂肪5.3500.07839視神經(jīng)30.870.8428骨骼肌55.341.438

圖3　介質(zhì)透鏡模型Fig.3　Dielectric lens model

1.4仿真聚焦模型

根據(jù)介質(zhì)透鏡是否包含損耗材料，將其分為非損耗介質(zhì)透鏡(圖3)和損耗介質(zhì)透鏡。圖4為IRA耦合損耗介質(zhì)透鏡實(shí)現(xiàn)皮秒脈沖在大腦組織中聚焦的仿真圖，IRA焦點(diǎn)F2位于大腦深部6 cm處。該模型包含IRA、損耗介質(zhì)透鏡和大腦模型三部分，IRA和大腦的仿真模型如上述所示；損耗介質(zhì)透鏡與上述非損耗介質(zhì)透鏡(圖3)仿真模型基本相同，唯一不同的是該仿真模型中損耗介質(zhì)透鏡最內(nèi)兩層45°范圍內(nèi)分別由電導(dǎo)率為5 S/m、4 S/m的損耗材料構(gòu)成，電導(dǎo)率參數(shù)的選擇是基于計(jì)算機(jī)優(yōu)化的結(jié)果。本文分別研究了不包含任何介質(zhì)透鏡、包含非損耗介質(zhì)透鏡和包含損耗介質(zhì)透鏡三種情況下，皮秒脈沖電場(chǎng)經(jīng)IRA發(fā)射后在大腦模型中的聚焦特性。仿真采用三維電磁場(chǎng)計(jì)算軟件CST Microwave Studio (Framingham，MA)，該軟件基于有限積分法進(jìn)行計(jì)算，并采用Transient Solver進(jìn)行求解。

圖4　皮秒脈沖在大腦模型中的聚焦模型Fig.4　Focusing model of psPEF in brain model

2　仿真結(jié)果

2.1不包含介質(zhì)透鏡時(shí)仿真結(jié)果

在IRA焦點(diǎn)F1處注入幅值1 V、脈寬200 ps的高斯脈沖，經(jīng)大腦組織傳播后，得到大腦組織內(nèi)IRA幾何焦點(diǎn)F2處的電場(chǎng)波形如圖5所示。與Y軸方向電場(chǎng)相比，X軸和Z軸方向的電場(chǎng)基本忽略不計(jì)，且Y軸方向的電場(chǎng)保持了輸入波形的時(shí)域特性。

圖5　電場(chǎng)波形Fig.5　Electric field waveforms

圖6為皮秒脈沖在大腦內(nèi)的傳播過(guò)程。場(chǎng)強(qiáng)以線性等值線的方式顯示，設(shè)定閾值范圍為0.1～0.3 V/m，表明場(chǎng)強(qiáng)高于0.3 V/m將被認(rèn)定為0.3 V/m。1.8 ns時(shí)前脈沖(Prepulse)已經(jīng)進(jìn)入大腦，同時(shí)前脈沖在面部和腦后部的傳播速度大于在腦組織內(nèi)的傳播速度；3.1 ns時(shí)，沖激脈沖(Impulse)經(jīng)由天線軸線直接傳播至大腦組織，隨著傳播深度的增加，脈沖焦斑逐漸縮小，在3.7 ns時(shí)達(dá)到最小。圖6中的側(cè)視圖(第一排)中，脈沖在3.1 ns包含兩個(gè)明亮的焦斑，與雙極性時(shí)域波形恰好吻合(圖5)；圖6中的俯視圖(第三排)，從大腦深度8 cm處截取而來(lái)。在大腦內(nèi)部放置一系列的探針，用于測(cè)量實(shí)際電場(chǎng)強(qiáng)度；探針以1 cm間距放置在以焦點(diǎn)F2為中心的各徑向上。由于大腦不是規(guī)則的球形，因此各角度徑向的長(zhǎng)度不同。

圖6　電場(chǎng)分布的等值線圖Fig.6　The isoline plots of electric filed distribution

圖7a為電場(chǎng)在不同路徑角上的分布情況，最大的電場(chǎng)分布在Z軸，且電場(chǎng)基本沿Z軸對(duì)稱分布；由于大腦包含損耗介質(zhì)，使得電場(chǎng)隨進(jìn)入大腦深度的增加而不斷衰減；然而在到達(dá)大腦深度7～8 cm時(shí)，電場(chǎng)出現(xiàn)極大值，稍高于焦點(diǎn)F2(大腦深度6 cm)處的場(chǎng)強(qiáng)，這也與圖6的仿真結(jié)果吻合。

圖7　電場(chǎng)在大腦內(nèi)的分布Fig.7　Electric field distribution in the human brain

圖8　電場(chǎng)分布的等值線圖Fig.8　Isoline plots of electric field

為了得到3.7 ns時(shí)焦斑的尺寸，通過(guò)移動(dòng)截面得到不同的切面圖，如圖8所示。觀察X=-2～2 cm的側(cè)視圖，可以看出焦斑位于X=0～1 cm的范圍；觀察Y=-2～2 cm的后視圖，很難直接得出焦斑的范圍，但通過(guò)觀察0.3 V/m電場(chǎng)的存在范圍(中心小環(huán)區(qū)域)，仍可得到焦斑位于Y=-1～1 cm；觀察俯視圖可看出焦斑位于7～8 cm處，即焦斑在Z軸方向范圍僅為1 cm。這樣可以大致估算焦斑在3.7 ns時(shí)的尺寸為1 cm×2 cm×1 cm，焦斑在X、Z軸的尺寸較小，而在Y軸尺寸相對(duì)較大。

皮秒脈沖傳播至深部組織時(shí)，人體大腦和天線的相對(duì)位置改變將會(huì)影響電磁波焦點(diǎn)的位置。圖7b為電場(chǎng)沿Z軸方向的分布，大腦位置不變，天線沿Y軸方向移動(dòng)-1 cm、0 cm、1 cm時(shí)便可得到3個(gè)不同相對(duì)位置。由圖7b可知，天線位置移動(dòng)-1 cm和1 cm時(shí)，電場(chǎng)分布與Y=0 cm時(shí)基本重合。這也說(shuō)明焦斑在Y軸方向分布范圍較大，因此天線移動(dòng)1 cm時(shí)焦斑改變不明顯。焦斑在X、Z軸分布較窄，可以推測(cè)在X軸和Z軸方向焦斑對(duì)天線和大腦相對(duì)位置變化較為敏感。

2.2引入非損耗介質(zhì)透鏡后仿真結(jié)果

將非損耗介質(zhì)透鏡放置于大腦模型上，得到如圖9所示的電場(chǎng)分布。場(chǎng)強(qiáng)以線性等值線的方式顯示，設(shè)定閾值范圍為0.1～0.5 V/m，比之前增加的原因是介質(zhì)透鏡會(huì)增強(qiáng)電磁波傳播至大腦組織。3.7 ns時(shí)沖激脈沖形成的焦斑尺寸基本成型，并在3.9 ns時(shí)到達(dá)大腦組織深度8 cm處，隨著電磁波透入深度的增加，電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸減弱，到達(dá)9 cm時(shí)基本看不到焦斑。

圖9　電場(chǎng)分布的等值線圖Fig.9　Isoline plots of electric field

電場(chǎng)沿徑向的分布如圖10a所示，不同路徑角的電場(chǎng)分布與2.1節(jié)的仿真結(jié)果一致，然而介質(zhì)透鏡的引入，使得皮膚處電場(chǎng)強(qiáng)度大大增加。大腦組織深度8cm處的場(chǎng)強(qiáng)增為0.5 V/m，高于之前的0.2 V/m?？傊?，最大的電場(chǎng)分布在Z軸，而其兩側(cè)的電場(chǎng)較低，電場(chǎng)將隨透入大腦組織深度的增加而不斷衰減。

使用前面的方法研究非損耗介質(zhì)透鏡的引入是否改變焦斑的尺寸。如圖9所示，包含最大場(chǎng)強(qiáng)(0.5 V/m，中心白色部分)的區(qū)域同樣位于X=0～1 cm、Y=-1～1 cm和Z=7～8 cm的范圍，即引入非損耗介質(zhì)透鏡后焦斑的尺寸未發(fā)生改變。

在Y軸方向整體移動(dòng)天線和非損耗介質(zhì)透鏡，且保持大腦模型位置不變，研究二者相對(duì)位置改變對(duì)電場(chǎng)分布的影響，如圖10b所示。大腦不是規(guī)則的球形，介質(zhì)透鏡將會(huì)和大腦模型存在重合部分，設(shè)置大腦模型優(yōu)先級(jí)高于介質(zhì)透鏡，即大腦模型幾何結(jié)構(gòu)不變，而介質(zhì)透鏡變成與之適配的不規(guī)則形狀。沿Y軸移動(dòng)-1 cm和1 cm時(shí)的電場(chǎng)分布與Y=0 cm時(shí)基本一致，與焦斑在Y軸分布較寬相吻合。

圖10　電場(chǎng)在大腦內(nèi)的分布Fig.10　Electric field distribution in the human brain

2.3引入損耗介質(zhì)透鏡后仿真結(jié)果

將非損耗介質(zhì)透鏡改造成第4層和第5層±45°范圍分別填充電導(dǎo)率為4 S/m和5 S/m的損耗介質(zhì)透鏡，將之置于大腦模型上面進(jìn)行仿真。如圖11所示，3.7 ns時(shí)沖激脈沖分布與之前明顯不同。損耗介質(zhì)透鏡使得Z軸方向的電場(chǎng)得到衰減，而徑向遠(yuǎn)離Z軸方向的電場(chǎng)相對(duì)增強(qiáng)；3.9 ns時(shí)沖激脈沖匯聚于大腦組織深部8 cm 處。

圖11　電場(chǎng)分布的等值線圖Fig.11　Isoline plots of electric field

圖12a為不同路徑上電場(chǎng)的分布情況，Z軸方向(R vs 0)的電場(chǎng)變?yōu)樽畹?，且? cm時(shí)有極大值，電場(chǎng)徑向分布與圖7a和圖10a恰好相反，±45°方向的電場(chǎng)變?yōu)樽罡?。損耗介質(zhì)透鏡的強(qiáng)烈衰減作用能夠改變電場(chǎng)在大腦組織內(nèi)的徑向分布，同時(shí)使得匯聚處(8 cm)的場(chǎng)強(qiáng)減為0.2 V/m，遠(yuǎn)小于非損耗介質(zhì)透鏡的情況。

圖12　電場(chǎng)在大腦內(nèi)的分布Fig.12　Electric field in the human brain

和前面的研究方法一樣，通過(guò)觀察不同側(cè)面的截面圖可以估算焦斑的尺寸。如圖11所示，焦斑的尺寸明顯減小，側(cè)視圖和俯視圖表明焦斑在X軸和Z軸的范圍均小于1 cm，焦斑在Y軸方向的分布不明顯，但可以看出有所減小。焦斑縮小表明其對(duì)天線和大腦模型相對(duì)位置變化更加敏感，這也可以通過(guò)圖12b的仿真結(jié)果得到驗(yàn)證。天線沿Y軸移動(dòng)-1 cm、1 cm時(shí)，電場(chǎng)分布明顯與Y=0 cm不同，表明焦斑在Y軸方向?qū)τ谔炀€和大腦模型相對(duì)位置變化變得敏感。損耗介質(zhì)透鏡的引入使得皮秒脈沖在大腦模型內(nèi)形成的焦斑尺寸縮小，且匯聚處的場(chǎng)強(qiáng)將因損耗材料的衰減作用而出現(xiàn)降低。

3　討論

P.Kumar等[22]同樣采用CST Microwave Studio研究了沖激脈沖輻射天線在自由空間的分布，并將仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，二者能較好吻合，表明采用該軟件研究皮秒脈沖經(jīng)沖激脈沖輻射天線發(fā)射后在大腦組織中的聚焦特性是可行的。此外，研究人員在前期研究中也專門(mén)驗(yàn)證了采用CST Microwave Studio研究IRA聚焦特性的可行性，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果能較好吻合，證實(shí)了該仿真方法的正確性及可靠性[21]。

IRA作為一種新型的超寬帶天線，能夠?qū)崿F(xiàn)超寬帶電場(chǎng)信號(hào)在其近場(chǎng)處的良好聚焦。在焦點(diǎn)F1處注入皮秒級(jí)脈沖電場(chǎng)，經(jīng)過(guò)反射面的傳播，由于電磁波到達(dá)F2的光程相同，則達(dá)此處的電磁波相位相同，不同路徑電磁波同相疊加則實(shí)現(xiàn)焦點(diǎn)F2匯聚的效果[19，20]。電磁波經(jīng)過(guò)反射面?zhèn)鞑r(shí)將被微分，因此焦點(diǎn)F1注入的單極性脈沖在焦點(diǎn)F2匯聚時(shí)將變?yōu)殡p極性脈沖電場(chǎng)信號(hào)，這也與圖5的仿真結(jié)果一致。

為了實(shí)現(xiàn)皮秒脈沖靶向調(diào)控神經(jīng)元結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)而實(shí)現(xiàn)癲癇、帕金森等腦科疾病無(wú)創(chuàng)治療的目的，本文研究了皮秒脈沖經(jīng)單個(gè)IRA發(fā)射后，其在大腦深部組織中的聚焦特性。仿真結(jié)果表明：皮秒脈沖經(jīng)IRA發(fā)射后，將會(huì)在大腦組織深度8 cm處形成匯聚，比IRA的幾何焦點(diǎn)F2深度(大腦深度6 cm)大2 cm，在XYZ方向形成的焦斑尺寸為1 cm×2 cm×1 cm，且焦斑位于白質(zhì)區(qū)域。白質(zhì)的介電常數(shù)為37，在其中傳播的電磁波空間寬度為1 cm，與輸入200 ps高斯脈沖的仿真結(jié)果相吻合。因此，通過(guò)估算在相應(yīng)介質(zhì)中形成焦斑的空間寬度，就可推斷出焦斑的尺寸。此時(shí)，皮秒脈沖雖然能夠?qū)崿F(xiàn)大腦深部組織中的聚焦，但聚焦區(qū)域的絕對(duì)場(chǎng)強(qiáng)太低且形成的焦斑尺寸較大，難以滿足皮秒脈沖無(wú)創(chuàng)聚焦治療的要求。

前期研究表明：引入介質(zhì)透鏡能夠明顯改善IRA在其中的聚焦特性，焦點(diǎn)處場(chǎng)強(qiáng)明顯增加，同時(shí)焦斑尺寸明顯降低[20]。因此，本文研究了引入介質(zhì)透鏡時(shí)IRA在深部腦組織中聚焦特性。引入非損耗介質(zhì)透鏡后，皮秒脈沖在大腦組織內(nèi)形成的焦斑位置和尺寸未發(fā)生改變，但焦斑處的絕對(duì)場(chǎng)強(qiáng)由于非損耗介質(zhì)透鏡的引入而大大增強(qiáng)。這是由于大腦包含各種不同介電特性的組織，介質(zhì)透鏡的引入只能增強(qiáng)焦斑處的絕對(duì)場(chǎng)強(qiáng)而難以改變焦斑的尺寸。利用前期研究的思想，將介質(zhì)透鏡改造成內(nèi)部小路徑角填充損耗材料的損耗介質(zhì)透鏡，用于衰減無(wú)聚焦特性的小路徑角電磁波，從而實(shí)現(xiàn)更好的聚焦效果[21]。仿真結(jié)果表明：引入損耗介質(zhì)透鏡后，脈沖仍然在大腦深度8 cm處形成聚焦，且焦斑尺寸大大縮小，同時(shí)電場(chǎng)在各個(gè)徑向上的分布也發(fā)生改變，這也與前期研究能夠較好吻合。本文的研究只是對(duì)介質(zhì)透鏡進(jìn)行簡(jiǎn)單的改造，介質(zhì)透鏡結(jié)構(gòu)在下一步研究中仍需要不斷優(yōu)化，可以考慮同一層介質(zhì)由多種不同損耗材料構(gòu)成，也可以考慮采用多變量?jī)?yōu)化算法，如遺傳算法等進(jìn)行介質(zhì)透鏡的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

基于Rodgers的線性等效方程[15]，可以大致估算脈寬200 ps、重復(fù)頻率為4 kHz、場(chǎng)強(qiáng)為0.5 kV/cm～5 kV/cm的脈沖電場(chǎng)，可有效刺激大鼠皮膚傷害感受器動(dòng)作電位。由圖7a、圖10a、圖12a可知，輸入為1 V、200 ps的高斯脈沖經(jīng)IRA發(fā)射后，皮秒脈沖可在大腦組織8 cm處形成明顯的焦斑，且焦斑處的場(chǎng)強(qiáng)為0.2～0.5 V/m，需要輸入電壓幅值為250 kV～2.5 MV的皮秒脈沖才能達(dá)到電場(chǎng)刺激的最低閾值0.5 kV/cm。因此，高強(qiáng)度皮秒脈沖發(fā)生器(～MV)的研制將是無(wú)創(chuàng)聚焦成功實(shí)施的關(guān)鍵所在。

癲癇作為一種常見(jiàn)的神經(jīng)性疾病，與大腦特定組織(如丘腦前核、丘腦中央內(nèi)側(cè)核、內(nèi)側(cè)蒼白球、小腦、海馬等)神經(jīng)元的動(dòng)作電位畸變密切相關(guān)。而本文的研究結(jié)果表明皮秒脈沖能夠經(jīng)由沖激脈沖輻射天線聚焦于上述特定大腦組織。因此，可通過(guò)匹配超寬帶脈沖輻射天線將高強(qiáng)度皮秒脈沖電場(chǎng)無(wú)創(chuàng)聚焦于癲癇病變區(qū)域組織，通過(guò)調(diào)控靶區(qū)神經(jīng)元?jiǎng)幼麟娢唬苊鈱?duì)周圍正常組織的損傷及創(chuàng)傷后遺癥等毒副作用的影響，實(shí)現(xiàn)無(wú)創(chuàng)治療癲癇等神經(jīng)性疾病的目的。本文的研究結(jié)果只是從理論給出了聯(lián)合損耗介質(zhì)透鏡和單個(gè)IRA能夠?qū)崿F(xiàn)皮秒脈沖在深部腦組織中的聚焦，從而為皮秒脈沖無(wú)創(chuàng)聚焦治療癲癇等腦科疾病提供了理論上的依據(jù)。然而欲實(shí)現(xiàn)上述方法的臨床實(shí)際應(yīng)用，尚需進(jìn)行大量后續(xù)的研究工作。

4　結(jié)論

利用CST軟件仿真計(jì)算了皮秒脈沖經(jīng)IRA發(fā)射后在大腦模型中的聚焦特性，得出以下結(jié)論：

1)傳播至大腦組織深度6 cm焦點(diǎn)F2處的電場(chǎng)能夠保持輸入波形的時(shí)域特性。

2)皮秒脈沖能夠進(jìn)入大腦組織深度8 cm處，此時(shí)形成的焦斑尺寸最小。

3)不包含介質(zhì)透鏡和包含非損耗介質(zhì)透鏡時(shí)，形成的焦斑尺寸為1 cm×2 cm×1 cm，而引入損耗介質(zhì)透鏡后，焦斑尺寸小于1 cm×1 cm×1 cm。

[1]Yao C，Guo F，Li C，et al.Gene transfer and drug delivery with electric pulse generators[J].Current Drug Metabolism，2013，14(3)：319-323.

[2]Schoenbach K H，Peterkin F E，Alden III R W，et al.The effect of pulsed electric fields on biological cells：experiments and applications[J].IEEE Transactions on Plasma Science，1997，25(2)：284-292.

[3]Schoenbach K H，Hargrave B，Joshi R P，et al.Bioelectric effects of intense nanosecond pulses[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2007，14(5)：1088-1109.

[4]Neumann E，Rosenheck K.Permeability changes induced by electric impulses in vesicular membranes[J].The Journal of Membrane Biology，1972，10(1)：279-290.

[5]Crowley J M.Electrical breakdown of biomolecular lipid membranes as an electromechanical instability[J].Biophysical Journal，1973，13(7)：711-724.

[6]Zimmermann U，F(xiàn)riedrich U，Mussauer H，et al.Electromanipulation of mammalian cells：fundamentals and application[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2000，28(1)：72-82.

[7]Weaver J C.Electroporation of cells and tissues[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2000，28(1)：24-33.

[8]Obeso J A，Olanow C W，Rodriguez-Oroz M C.Deep-brain stimulation of the subthalamic nucleus or the pars interna of the globus pallidus in Parkinson’s disease[J].New England Journal of Medicine，2001，345(13)：956-963.

[9]Coubes P，Roubertie A，Vayssiere N，et al.Treatment of DYT1-generalised dystonia by stimulation of the internal globus pallidus[J].Lancet，2000，355(9222)：2220-2221.

[10]Yianni J，Bain P，Giladi N，et al.Globus pallidus internus deep brain stimulation for dystonic conditions：a prospective audit[J].Movement Disorders：Official Journal of the Movement Disorder Society，2003，18(4)：436-442.

[11]Nuttin B J，Gabriёls L A，Cosyns P R，et al.Long-term electrical capsular stimulation in patients with obsessive-compulsive disorder[J].Neurosurgery，2003，52(6)：1263-1274.

[12]Schoenbach K H，Katsuki S，Stark R H，et al.Bioelectrics-new applications for pulsed power technology[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2002，30(1)：293-300.

[13]Schoenbach K H，Joshi R P，Kolb J F，et al.Ultrashort electrical pulses open a new gateway into biological cells[J].International Power Modulator Symposium，2004，92(7)：205-209.

[14]Schoenbach K H，Nuccitelli R，Beebe S J.ZAP：extreme voltage could be a surprisingly delicate tool in the fight against cancer[J].IEEE Spectrum，2006，43(8)：20-26.

[15]Rogers W R，Merritt J H，Comeaux J J A，et al.Strength-duration curve for an electrically excitable tissue extended down to near 1 nanosecond[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2004，32(4)：1587-1599.

[16]Jiang N，Cooper B Y.Frequency-dependent interaction of ultrashort E-fields with nociceptor membranes and proteins[J].Bioelectromagnetics，2011，32(2)：148-163.

[17]Schoenbach K H，Xiao S，Joshi R P，et al.The effect of intense subnanosecond electrical pulses on biological cells[J].IEEE Transactions on Plasma Science，2008，36(2)：414-422.

[18]Xiao S，Guo S，Nesin V，et al.Subnanosecond electric pulses cause membrane permeabilization and cell death[J].IEEE Transactions on Biomedical Engineering，2011，58(5)：1239-1245.

[19]Xiao S，Altunc S，Kumar P，et al.A reflector antenna for focusing subnanosecond pulses in the near field[J].IEEE Antennas Wireless Propagation Letters，2010，9(1)：12-15.

[20]Altunc S，Baum C E，Buchenauer C J，et al.Design of a special dielectric lens for concentrating a subnanosecond electromagnetic pulse on a biological target[J].IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2009，16(5)：1364-1375.

[21]郭飛，姚陳果，劉澤輝，等.采用沖激脈沖輻射天線實(shí)現(xiàn)皮秒脈沖電場(chǎng)生物組織聚焦的仿真分析[J].高電壓技術(shù)，2013，39(1)：175-180.

Guo Fei，Yao Chenguo，Liu Zehui，et al.Simulation analysis of focusing picosecond pulsed electric fields into biological tissue with impulse radiating antenna[J].High Voltage Engineering，2013，39(1)：175-180.

[22]Kumar P，Baum C E，Altunc S，et al.A hyperband antenna to launch and focus fast high-voltage pulses onto biological targets[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2011，59(4)：1090-1101.

Focusing of Picosecond Pulsed Electric Fields in Human Brain Model with Impulse Radiating Antenna

Guo Fei1,2Li Chengxiang2Tang Xianlun1Chen Gonggui1Yao Chenguo2

(1.College of Automation of Chongqing University of Posts and Telecommunications Chongqing400065China 2.State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing UniversityChongqing400030China)

A prolate-spheroidal reflector antenna model and a dielectric lens model are constructed with the 3D electromagnetic simulation software of CST Microwave Studio.The focusing properties of the picosecond pulsed electric field (psPEF) caused by the impulse radiating antenna (IRA) in the human brain model are then studied.The simulation results indicate that：The electric field at the second focusF2keeps the time-domain characteristics of the input pulse；The psPEF can penetrate into the brain at a depth of 8 cm where the smallest focal spot is created；The focal size is 1 cm×2 cm×1 cm with non-lossy dielectric lens or without dielectric lens，and the focal size is less than 1 cm×1 cm×1 cm with the help of lossy dielectric lens.The simulation results demonstrate that effective focusing of the psPEF in deep brain can be obtained with the combination of the lossy dielectric lens and a single IRA.

Picosecond pulsed electric field，impulse radiating antenna，hugo brain model，non-lossy dielectric lens，lossy dielectric lens

2015-01-29改稿日期2015-05-14

TM836；Q64

郭飛男，1988年生，講師，博士，研究方向?yàn)樯镫姶艑W(xué)。

E-mail：guofei@cqupt.edu.cn(通信作者)

李成祥男，1979年生，副教授，博士，研究方向?yàn)槊}沖功率技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用。

E-mail：lichengxiang@cqu.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金(51507024、51307187)和重慶郵電大學(xué)自然科學(xué)基金(A2015-67)資助項(xiàng)目。